ВОЛНОВОДНЫЕ ФИЛЬТРЫ НА ГРЕБНЕВЫХ СЕКЦИЯХ С УЛУЧШЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

February 26, 2013 by admin Комментировать »

Мануйлов М. Б.\ Кобрин К. В.^, Обрезанова Л. А.^

^ Ростовский госуниверситет, ул. Зорге, 5, Ростов-на-Дону, 344090, Россия Тел.: +7(863) 2975129; e-mail: manuilov@phys.rsu.ru ^ГНУ НИИ «Спецвузавтоматика», пер. Газетный, 51, Ростов-на-Дону, 344002 ^НП ОАО «Фаза», ул. Белорусская, 9, Ростов-на-Дону, 344065

Аннотация – Рассмотрен комбинированный метод электродинамического моделирования широкого класса волноводных фильтров на гребневых секциях, в т.ч. фильтров квазипланарного типа. Предложенная методика основана на методе Галеркина, методе модового сшивания и методе обобщенных матриц рассеяния. На основе численной оптимизации разработаны модифицированные конструкции полосно-пропускающих фильтров квазипланарного типа для К- и Ка-диапазонов.

I.                                       Введение

Волноводные фильтры на гребневых секциях, в т.ч. фильтры квазипланарного типа (рис. 1), находят широкое применение при разработке различных микроволновых компонентов и подсистем миллиметрового И сантиметрового диапазонов [1]. Фильтры на гребневых секциях успешно реализованы также на основе LTCC-технологии (Low Temperature Cofired Ceramics) [2]. В последнее время исследуются модифицированные конструкции квазипланарных фильтров на гребневых секциях [3, 4] с улучшенными характеристиками. Предложенные в [3] конструкции с увеличенной высотой запредельного волновода и индуктивными полосками между гребневыми секциями (рис. 16, в) обеспечивают снижение потерь и расширение верхней полосы заграждения фильтра.

В работе изложен эффективный электродинамический метод расчета широкого класса волноводных фильтров на гребневых секциях и исследованы улучшенные конструкции фильтров.

II.                              Основная часть

Разработанный метод электродинамического анализа волноводных фильтров на гребневых секциях (рис.1) основан на методе Галеркина, методе МОДОВОГО сшивания и методе обобщенных матриц рассеяния. Решение задачи включает (i) декомпозицию ИСХОДНОЙ структуры на базовые блоки, (ii) решение задачи на собственные значения и вычисление спектра собственных волн для гребневых волноводных секций, (iii) решение ключевых задач рассеяния для базовых неоднородностей и вычисление их МНОГОМОДОВЫХ матриц рассеяния, (iv) вычисление МНОГОМОДОВОЙ матрицы рассеяния фильтра.

В качестве базовых блоков рассматривались сочленение прямоугольного И гребневого волноводов, сочленение прямоугольных волноводов, разветвление прямоугольного волновода.

При решении ключевых задач рассеяния использовался базис ИЗ собственных Н- и Е-волн волноводов. Исходя ИЗ ЭТОГО, вначале решались независимые задачи по расчету критических частот и полей собственных Н- и Е-волн гребневых секций в составе фильтра. Задачи на собственные значения решались методом Галеркина с учетом краевой особенности ПОЛЯ [5, 6].

Для вычисления многомодовой матрицы рассеяния сочленения прямоугольного и гребневого волноводов был применен метод модового сшивания. Решение ключевых задач рассеяния для сочленения прямоугольных ВОЛНОВОДОВ И ВОЛНОВОДНОГО разветвления было построено на основе метода модового сшивания И метода Галеркина с учетом краевой особенности ПОЛЯ.

Рис. 1. Волноводные фильтры квазипланарного типа на гребневых секциях.

Fig. 1. Quasi-planar ridged waveguide filters

Сравнение с известными из литературы экспериментальными И теоретическими данными для различных ТИПОВ квазипланарных волноводных фильтров [1, 3] показало высокую точность предложенного метода расчета.

На основе предложенной методики был разработан ряд модифицированных конструкций квазипланарных ВОЛНОВОДНЫХ фильтров К-диапазона с полосой пропускания 21.75- 22.3 ГГц и Ка-диапазона с ПОЛОСОЙ пропускания 29 – 29.5 ГГц. Для каждого из указанных диапазонов были оптимизированы четырех- И пятирезонаторные фильтры на гребневых секциях И индуктивных полосках (рис. 1в). Введение В конструкцию фильтров индуктивных ПОЛОСОК, чередующихся с гребневыми секциями, делает конструкцию более технологичной, поскольку в этом случае все элементы расположены на одной вставке из фольги, помещаемой в Е-плоскость запредельной ВОЛНОВОДНОЙ секции. В отличие от структур, рассмотренных В [3], В ходе оптимизации продольные размеры всех индуктивных полосок брались различными, ЧТО расширяет число степеней свободы оптимизируемой структуры.

На рис. 2 изображены расчетные характеристики пятирезонаторного фильтра диапазона 21.75 – 22.3 ГГц. Расчетное значение \S^^\ в полосе пропускания

составляет около 30 дБ. При этом верхняя граница полосы заграждения по уровню 50 дБ достигает 38 ГГц (против 27 ГГц у аналогичного пятирезонаторного фильтра на гребневых секциях (рис. 16)), а общая длина фильтра сокращается примерно в 1.6 раза. Благодаря увеличенной вьюоте запредельной секции, фильтр на рис. 2 имеет увеличенный зазор между верхними И НИЖНИМИ гребнями, что обеспечивает возможность сокращения вносимых омических потерь.

Puc. 2. Квазипланарный волноводный пятирезона- торный фильтр, (а) Топология Е-плоскостной металлической вставки на рис. 1в; (6) частотные характеристики фильтра. Размеры в мм: входной волновод 11×5.5, запредельный волновод 6×5.5, толщина фольги 0.2, η = 2.797, 3.832, 3.429; d- =0.8,

0.869; /, = 2.565, 1.008, 1.452; w =1.86;                  =34.995

Fig. 2. Quasi-planar 5-resonator filter (a) Configuration of E-plane metal insert; (6) frequency response.

III.                                  Заключение

Изложен эффективный комбинированный электродинамический метод расчета широкого класса волноводных фильтров на гребневых секциях. Предложенная методика основана на методе Галер- кина, методе модового сшивания и методе обобщенных матриц рассеяния.

Высокая точность методики моделирования подтверждена сравнением с известными из литературы экспериментальными и теоретическими результатами. Рассмотрены оптимизированные конструкции полосно-пропускающих волноводных фильтров ква- зипланарного типа с улучшенными характеристиками для К- и Ка-диапазонов.

IV.                           Список литературы

[1]  J. Вогпетапп, F. Arndt. Transverse Resonance, Standing Wave, and Resonator Formulations of the Ridge Waveguide Eigenvalue Problem and Its Application to the Design of E- plane Finned Waveguide Filters, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-38, N.8, pp.1104-1113, August 1990.

[2]  J. A. Ruiz-Cruz, M. A. El Sabbagh, K. A. Zaki, J. M. Rebol- lar, and Y. Zhang, Canonical Ridge Waveguide Filters in LTCC or Metallic Resonators, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-53, N.1, pp.174-182, January 2005.

[3]  A.Kirilenko, L. Rud, V. Tkachenko, D. Kulic. Evanescentmode ridged waveguide band-pass filters with improved performance. IEEE Trans. On Microw. Theory and Tech., 2002, vol. MTT-50, N.5, p. 1324-1328.

G. Goussetis and D. Budlmir, Compact Ridged Waveguide Filters with Improved Stopband Performance, in IEEE MTTS   Intern. Microwave Symposium Digest, 2003, pp.953-956.

[4]  Заргано Г.Ф., Ляпин В.П., Михалевский B.C. и др. Волноводы сложных сечений. Радио и связь, 1986, 124 с.

[5]  М.В. Manuilov, K.V. Kobrin, Field Theory CAD of waffle-iron filters, in Proc.of 35th Europ. Microwave Conference, Paris, October 2005, pp. 1227-1230.

RIDGED WAVEGUIDE FILTERS WITH IMPROVED PERFORMANCE

Manuilov M. B.\ Kobrin K. V.^, Obrezanova L. A.^

^Rostov State University, 5 Zorge St., Rostov-on-Don, 344090, Russia phone: +7(863) 2975129 e-mail: manuilov@phys.rsu.ru

^GNU Nil “Spetsvuzavtomatika”, 51 Gazetny St., Rostov-on-Don, 344002, Russia ^NP ОАО “Faza”, 9 Belorusskaya St, Rostov-on-Don, 344065, Russia

Abstract – A hybrid Galerkin’s Method/Mode Matching Technique/Generalized Scattering Matrix Method for CAD of ridged and finned waveguide filters is presented. New modifications of quasi-planar band-pass filters with improved performance have been designed for K- and Ka-bands.

I.                                        Introduction

Ridge waveguide filters find extensive microwave and milli- meter-wave applications because of their well-known favorable electrical performance [1], [2]. Some new modifications of quasi-planar ridge waveguide filters were presented in [3],[4] in order to achieve improved pass-band selectivity and stop-band attenuation. In contrast with conventional evanescent-mode ridge waveguide filters, the proposed filter configurations have enlarged height of the below-cut-off waveguide section and additional inductive strips introduced between ridged sections. This filter configuration has reduced ohmic loss, it possesses more compact total size and wide spurious-free response.

This paper presents hybrid field theoretical approach to CAD of a wide class of the ridge waveguide filters with improved performance.

II.                                       Main part

An EM analysis of ridge waveguide filters is based on Galerkin’s Method/Mode Matching Technique/Generalized Scattering Matrix Method. The solution includes the following steps: decomposition of filter into the key building blocks, solving eigenvalue problems for ridged waveguide sections, solving scattering problems for basic discontinuities, direct combination of all modal S-matrices and computation of S-matrix of the overall structure.

The eigenvalue problems for both ТЕ- and TM-modes of ridge waveguide are reduced to the integral equations of the first kind for unknown electric field components on the common interface of regular subregions. In order to solve integral equations, Galerkin method was used [5],[6]. The unknown tangential electric field components on the common interface of regular subregions are expanded into series of Gegenbauer or Che- byshev polynomials with weight factor taking into account field asymptotic at the edges. A special choice of basis functions dramatically accelerates the convergence of the method.

Mode Matching Technique was used for analysis of basic discontinuities: waveguide-to-ridge-waveguide junction, step waveguide Junction and waveguide bifurcation.

Accuracy of the proposed full-wave technique is proved by comparing the obtained results with available experimental and theoretical data of some references (e.g., [1], [3]). A number of modified quasi-planar band-pass filters for K- and Ka-bands have been designed. The potential of filter configuration with ridged sections and inductive strips was investigated (Fig. 1b). Compared with conventional ridge waveguide filter the configuration in Fig. 2 enables essentially improved upper stop-band and the total filter length reduced at factor about 1.6.

III.                                      Conclusion

A new hybrid full wave method for analysis and design of wide class of ridged and finned waveguide filters is presented. The results obtained are in good agreement with available experimental and theoretical data. A number of modified quasi- planar pass-band filters with improved performance has been designed for K- and Ka-bands.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты